基于土地利用变化的城市热岛时空特征分析—以山东省为例

摘要

随着城镇化进程的加快，城市热岛效应对人类生产生活产生日益深远的影响。城市热岛效应的增强不仅体现在局地气温的升高，降水量、大气能见度、大气污染物分布及扩散也深受其影响。因此对城市热岛效应的分析为城市规划及大气环境保护起着指导作用。土地利用变化作为城市热岛效应的重要影响因素，在近年来已成为城市气候及陆面过程研究的热点。土地利用变化影响下的不同自然环境及不同经济发展水平城市的城市热岛效应分析对今后城市规划提供借鉴意义。
　　本文分析的主要目的为比较不同自然环境及不同经济发展水平下，土地利用变化对城市热岛效应时空特征的影响。首先，本文基于山东省自然环境及各地级市的城镇化发展水平选取了代表性的城市；其次对代表性城市近三十年的气温特征进行了初步分析；然后将AVHRR数据与MODIS数据对代表性城市的城市热岛年际、季节、昼夜变化做出了分析，并就城市个体及城市之间的城市热岛影响进行了探究；最后运用WRF模式，将MODIS全球覆被数据与模式耦合，对土地利用变化影响下的城市热岛表现及机理进行了讨论。
　　结合AVHRR与MODIS遥感数据对山东省代表性城市热岛效应时空特征的分析表明：（1）山东省代表性城市（济南、聊城、青岛、日照）的城市热岛日变化特征在总体上表现为昼弱夜强，而青岛、日照的城市热岛昼夜变化特征在春季表现为昼强夜弱；（2）内陆城市（济南、聊城）的城市热岛强度在春夏两季最强，秋冬两季较弱；沿海城市（青岛、日照）的城市热岛效应在春季或冬季最强，夏秋两季较弱。（3）四地市的城市热岛强度均呈现逐年增强趋势，且其增强趋势与建设用地变化趋势基本一致，四地市城市热岛强度增速排序为：日照>济南>聊城>青岛。（4）山东省代表性城市的城市热岛增强均表现为各区域中的高温区、中温区面积增大，及低温区面积减小所致。济南与聊城各存在两个城市热岛中心点，济南的城市热岛重点位于济南市城区以及长清区所在地，聊城市的城市热岛中心分别位于聊城市城区以及茌平县。青岛及日照的城市热岛中心则位于各自的城区内。济南、聊城对各自所在区域的城市热岛辐射能力更强。
　　利用MODIS全球土地利用数据与WRF模式耦合对土地利用变化影响下的城市热岛进行了数值模拟试验，主要结论为：（1）运用Lin微物理方案、RRTM长波辐射方案、Goddard短波方案、Monin-Obukhov近地层方案、Noah陆面过程方案、YSU边界层方案、K-F积云对流方案及UCM城市冠层方案能够较好的模拟研究区域2013年4月份的气象要素特征。（2）利用MOD12Q1土地利用数据较WRF自带土地利用数据的模拟结果更优，气温、降雨量及风速模拟结果的相关系数与均方根误差均有所提高。（3）由于土地利用变化的影响，济南、聊城、日照的城市热岛中心出现了东移的现象，青岛的城市热岛中心则向西移动；不同土地利用类型对城市热岛的贡献率排序为：城镇建设用地>农田>林地>未利用地>草地>水体。（4）济南、聊城区域内土地利用变化主要存在三种类型：农田转变为城镇建设用地、农田转变为草地、草地转变为以及林地转变为建设用地，青岛-日照区域内主要的土地利用变化类型为：农田转化为草地、林地转变为建设用地。当农田转变为建设用地时，地表反射率增大，植被覆盖度减小，农田转变为草地是，地表反射率减小，但植被覆盖度增减。地表特征的变化引起了陆气之间交换的变化，当其它类型用地转变为建设用地时，植被覆盖度减小、地表直接蒸发增强、蒸腾作用减弱、土壤热通量增大以及近地面场风速减小，以上综合作用导致了城市热岛效应的增强。

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第1章 引言

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容及特色

第2章 研究区域概况及代表性城市选取

2.1 研究区域概况

2.2 代表性城市选取

第3章 山东省代表性城市热岛效应的时空变化特征

3.1 数据与方法

3.1.1 数据来源

3.1.2 研究方法

3.2 山东省代表性城市气温变化特征分析

3.3山东省代表性城市热岛强度的时间变化特征

3.3.1 城市热岛强度昼夜变化

3.3.2 城市热岛强度季节变化

3.3.3 城市热岛强度年际变化

3.4山东省代表性城市热岛效应的空间分布特征

3.4.1 城市热岛的面积变化

3.4.2 城市热岛的影响范围

第4章 城市热岛特征数值模拟试验

4.1 WRF模式简介及其主要参数化方案

4.1.1 WRF模式简介

4.1.2 WRF积云对流方案简介

4.1.3 WRF陆面过程方案简介

4.1.4 WRF城市冠层方案简介

4.1.5 WRF其它方案简介

4.2 热岛效应模拟及性能评价

4.2.1 城市热岛模拟敏感性试验方案设计

4.2.2 城市热岛模拟性能评价

第5章 土地利用变化对城市热岛影响的数值模拟试验

5.1 基于MODIS数据的实时下垫面数据制作

5.1.2 MODIS下垫面数据精度分析

5.1.3 下垫面数据的模拟结果比较

5.2 基于土地利用变化的城市热岛效应模拟试验

5.2.1 控制试验

5.2.2 敏感试验

5.3 模拟试验结果分析

5.3.1 土地利用变化对城市热岛影响的表现

5.3.2 土地利用变化对城市热岛影响的机理

第6章 结论与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢